卷煙廠紅外水分儀測量誤差分析及改進方法探討

摘要：卷煙廠紅外水分儀測量誤差對卷煙加工起著非常關鍵的作用。本文針對水分儀波長的不同、光源能量的變化等對紅外水分儀測量結果的影響進行了深刻的剖析，并提出通過定期清潔保養、動態標定等改進方式等夠有效提高紅外水分儀的測量精度。

關鍵詞：波長；光源能量；動態標定

在卷煙加工過程中，影響紅外水分儀測量誤差的因素有來自設備本身，也有來自外部安裝使用方面。我們通過對水分儀波長、光源能量等因素對紅外水分儀測量結果的影響進行的剖析，來探索在日常使用中降低測量誤差的改進方法，為紅外水分儀在卷煙廠的正確使用提供參考。

1 測量誤差分析

1.1 波長變化對紅外水分儀的影響

目前在卷煙廠使用的主要是二波長紅外水分儀，該儀器采用了2個近紅外光譜，1.45μm或1.94μm和1.8μm；1.45μm或1.94μm都能被水份吸收；而1.8μm不被水份吸收。145μm或1.94μm雖然都能被水份吸收，但它們對水份的敏感程度是不同的，在高水份時用1.45μm，在低水份時用194μm。有了這個特點我們就可以用以下公式算出樣品的含水率：

W=R×K/M+a（1）

W——樣品的含水率

R——參考波長射到樣品后的理論反射率

M——測量波長射到樣品后的理論反射率

K——測量曲線斜率

a——測量曲線零位

參考波長的理論反射率R人們希望它不要受到被測物體的成份和晶體結構變化的影響，永遠是一個相對常數。但實際上它是不穩定的，往往要受到各種因素的影響，如下圖。

二波長紅外水分儀工作原理圖

從上圖中可以看出參考波長反射率的不可預測的變化會造成測量誤差r1。

r1=RR1（2）

R1——參考波長射到樣品后的實際反射率

為了解決這個問題，就必須再增加一個參考波長，引入一個參考波長λ3=2.1μm，通過這個波長的互補，使一個過去認為較難的測量成為可能。這時我們可以用一個新的公式來計算被測物的水分：

W=[（R1+r1）+ （R3r3）]/M+a（3）

從上式可以看出當r1= r3時，這時被測物的水份得到了精確的測量。但實際上r1和r3不可能在同一數量級上變化，它們之間的變化是有差異的，這時我們可以用以下公式計算被測物水分。

W=R×K/M+a（4）

=[ R1×n/ M+ R3（1n）/ M] ×（K+a）

n——小于1的比例系數

n取不同的數值R1和R3所取的比例不同，測量結果將得到不同的補償，因此n的取值數將直接影響到儀器測量的準確度。在實際應用中發現被測物的成份和晶體結構的變化的影響對λ3較小，λ3的反射率很穩定。因此λ3的實際反射率R3取的比例要比R1大，通常n應在0.20.3左右。通過這種補償，使得三波長的測量精度在原來二波長基礎上得到了的改善。

1.2 光源能量變化對紅外水分儀的影響

當某些原因造成光源能量發生變化時，R和M都發生變化，它們變化的大小是不一樣的，而由此產生的影響會造成測量誤差。引起光能變化的因素有燈絲老化，電源電壓波動等。

1.3 其他誤差

由于煙絲或煙葉不能很好的松散及本身水分不均勻，紅外水分儀的讀數和烘箱法得出的結果沒有規律，離散性大，這樣使標定人員對水分儀的校正無從下手，造成測量誤差增大。

2 改進方法

2.1 定期進行紅外水分儀的清潔和保養

定期要對紅外水分儀的光學窗口進行清潔和保養，對有氣路清潔的，還要對過濾器進行清潔，以免二次污染；紅外水分儀盡管密封性很好，但里面的透鏡時間長了也不可避免會沾上灰塵，因此要定期對紅外水分儀進行清潔和保養。

2.2 動態標定

在生產線正常運行時，直接從紅外水分儀探頭下取樣，并同時讀取水分儀當時的讀數，再用烘箱法作出的標準水分去校準紅外水分儀。動態標定應盡量降低校準用烘箱和取樣環節帶來的誤差。

動態標定和靜態標定的區別在于考慮了整個環境條件物料的動態特性，因此動態標定更接近實際情況。

2.3 建立紅外水分儀的測量曲線

對于不同的煙葉或煙絲，紅外水分儀會產生不同的測量曲線，這是因為煙葉或煙絲的顏色、成份、晶體結構的不同造成的。不同的測量曲線它的零位和斜率是有變化的。

2.4 增強光源能量

加大燈泡的功率，通過調制電壓來控制燈泡的通斷，調制電壓和調制盤上的光孔同步，使燈泡的平均功耗不變沒，這樣既解決了燈泡壽命，又解決了信噪比的問題。另外對燈泡的調換，不是要等到燈泡壞了后才更換，發現老化，就應該及時更換。

3 結語

通過以上分析可以看出，卷煙廠紅外水分儀測量誤差有來自儀器設計本身，也有使用維護方面的原因。對于儀器設計缺陷帶來的誤差，我們可以通過應用選型來有效避免；對于使用維護原因造成的誤差，可以通過本文提出的動態標定、建立測量曲線等改進方法，有效提高紅外水分儀的測量精度。

參考文獻：

[1]王建騰，李松，董小衛，等.用于煙草水分檢測的兩種紅外水分儀，計測技術，2006，26（zl）.

[2]程林峰，劉虎.水分儀在煙草制絲過程的應用.中國儀器儀表，2004，（10）.

[3]章習.在線水分儀探測精度評定方法探討.煙草科技，2006，（5） TS439.2.

[4]王森.在線分析儀器手冊.化學工業出版社，2008，10.

作者簡介：楊守臣（1973），男，大學，工程師，計量管理員，主要研究方向：企業計量管理。